Введение

Изменение признаков организма в ответ на изменчивость окружающей среды. Фенотипическая пластичность относится к некоторым изменениям в поведении, морфологии и физиологии организма в ответ на конкретную среду обитания. Являясь основополагающим механизмом, позволяющим организмам справляться с изменчивостью окружающей среды, фенотипическая пластичность охватывает все типы изменений, вызванных факторами окружающей среды (например, морфологические, физиологические, поведенческие, фенологические), которые могут быть как временными, так и постоянными в течение жизни особи. Особым случаем, когда различия в окружающей среде индуцируют дискретные фенотипы, является полифенизм. Как правило, фенотипическая пластичность более важна для неподвижных организмов (например, растений), чем для подвижных (например, большинства животных), поскольку последние часто могут избежать неблагоприятных условий, перемещаясь в другие места. Тем не менее, подвижные организмы также проявляют определенную степень пластичности, по крайней мере, в некоторых аспектах фенотипа. Водные блохи (Daphnia magna) демонстрируют как фенотипическую пластичность, так и способность генетически адаптироваться для преодоления теплового стресса в более теплых, городских водоемах, а также изменение формы, размера и толщины листьев. Листья особенно пластичны, и на их рост может влиять освещенность. Листья, растущие на свету, как правило, толще, что максимизирует фотосинтез при прямом солнечном свете, и имеют меньшую площадь, что способствует более быстрому охлаждению листа (за счет более тонкого пограничного слоя). Напротив, листья, растущие в тени, обычно тоньше и имеют большую площадь поверхности для улавливания большего количества ограниченного света. Одуванчики хорошо известны своей значительной пластичностью формы в зависимости от того, растут они на солнце или в тени. Транспортные белки в корнях также меняются в зависимости от концентрации питательных веществ и засоленности почвы. Некоторые растения, например, Mesembryanthemum crystallinum, способны изменять свои фотосинтетические пути, чтобы потреблять меньше воды при водном или солевом стрессе. Из-за фенотипической пластичности сложно объяснить и предсказать признаки растений, выращенных в естественных условиях, если невозможно получить четкий индекс окружающей среды для количественной оценки условий. Выявление таких четких индексов окружающей среды, тесно коррелирующих с периодом цветения сорго и риса в критические периоды роста, позволяет делать такие прогнозы. Ведутся дополнительные исследования для поддержки сельскохозяйственной отрасли, которая сталкивается с серьезными проблемами в прогнозировании фенотипического проявления сельскохозяйственных культур в меняющихся условиях. Поскольку многие культуры, обеспечивающие глобальную продовольственную безопасность, выращиваются в самых разных условиях, понимание и способность прогнозировать взаимодействие генотипа культуры с окружающей средой будут иметь решающее значение для будущей продовольственной стабильности.

Фитогормоны и пластичность листьев

Листья очень важны для растения, поскольку они создают путь, по которому может происходить фотосинтез и терморегуляция. Эволюционно, вклад окружающей среды в форму листьев позволил создать множество различных типов листьев. Форма листьев может определяться как генетикой, так и окружающей средой. Было показано, что факторы окружающей среды, такие как свет и влажность, влияют на морфологию листьев, что вызывает вопрос о том, как это изменение формы контролируется на молекулярном уровне. Это означает, что разные листья могут иметь один и тот же ген, но иметь разную форму в зависимости от факторов окружающей среды. Растения являются сессивными, поэтому эта фенотипическая пластичность позволяет растению принимать информацию из окружающей среды и реагировать, не меняя своего местоположения. Чтобы понять, как работает морфология листа, необходимо понять анатомию листа. Основная часть листа, лезвие или пластина, состоит из эпидермиса, мезофилла и сосудистой ткани. Эпидермис содержит стоматы, которые позволяют осуществлять газообмен и контролируют потоотделение растения. Мезофилл содержит большую часть хлоропласта, где может происходить фотосинтез. Разработка широкого лезвия / ламины может максимизировать количество света, попадающего на лист, тем самым увеличивая фотосинтез, однако слишком много солнечного света может повредить растение. Широкая ламина также может легко поймать ветер, что может вызвать стресс для растения, поэтому для растений важно найти хорошую среду. Сеть генетического регулирования отвечает за создание этой фенотипической пластичности и включает в себя различные гены и белки, регулирующие морфологию листьев. Было показано, что фитогормоны играют ключевую роль в передаче сигналов по всему растению, и изменения в концентрации фитогормонов могут вызвать изменения в развитии. Исследования водных видов растений Ludwigia arcuata были проведены для изучения роли абсцисной кислоты (ABA), так как L. arcuata, как известно, проявляет фенотипическую пластичность и имеет два различных типа листьев, воздушный тип (листья, которые касаются воздуха) и погруженный тип (листья, которые находятся под водой). При добавлении АБА в подводные побеги L. arcuata, растение могло производить листья воздушного типа под водой, предполагая, что повышенная концентрация АБА в побегах, вероятно, вызванная контактом с воздухом или отсутствием воды, вызывает изменение от погруженного типа листьев к воздушному типу. Это говорит о роли АВА в фенотипических изменениях листьев и его важности в регулировании стресса через изменения окружающей среды (такие как адаптация от подводной жизни к поверхностной жизни). В том же исследовании было показано, что другой фитогормон, этилен, индуцирует погруженный фенотип листьев в отличие от АБА, который индуцировал фенотип листьев в воздухе. Поскольку этилен является газом, он имеет тенденцию оставаться эндогенным внутри растения, когда под водой этот рост концентрации этилена вызывает изменение от воздушных до погруженных листьев, а также было показано, что он ингибирует производство АБА, что еще больше увеличивает рост погруженных листьев. Эти факторы (температура, наличие воды и фитогормоны) способствуют изменениям морфологии листьев на протяжении всей жизни растения и имеют жизненно важное значение для максимизации пригодности растения.

Животные

Было продемонстрировано влияние питания и температуры на развитие. Серый волк (Canis lupus) обладает широкой фенотипической пластичностью. Кроме того, самцы бабочек вида Pnyssa vestalis имеют две морфы: одна с тремя пятнами на заднем крыле, а другая – с четырьмя пятнами на задних крыльях. Развитие четвертого пятна зависит от условий окружающей среды, в частности, от местоположения и времени года. У амфибий вид Pristimantis mutabilis обладает выдающейся фенотипической пластичностью, как и Agalychnis callidryas, чьи эмбрионы проявляют фенотипическую пластичность, вылупляясь раньше срока в ответ на беспокойство, чтобы защититься. Другой пример – пингвин-скакун южный. Пингвины-скакуны встречаются в разнообразных климатических условиях и местах обитания: в субтропических водах острова Амстердам, а также у берегов субантарктических островов Кергелен и Крозе.

Диета

Фенотипическая пластичность пищеварительной системы позволяет некоторым животным реагировать на изменения в составе питательных веществ, качестве рациона и энергетических потребностях. Изменения в питательном составе рациона (соотношение липидов, белков и углеводов) могут происходить в процессе развития (например, при отъеме от матери) или с сезонными изменениями в доступности различных видов пищи. Эти изменения в рационе могут вызывать пластичность в активности определенных пищеварительных ферментов на ворсинках тонкого кишечника. Например, в первые несколько дней после вылупления птенцы домашнего воробья (Passer domesticus) переходят от диеты, богатой белком и липидами, состоящей из насекомых, к диете на основе семян, содержащей преимущественно углеводы; это изменение рациона сопровождается двукратным увеличением активности фермента мальтазы, расщепляющего углеводы. Рационы низкого качества (содержащие большое количество неперевариваемых веществ) имеют более низкую концентрацию питательных веществ, поэтому животным необходимо перерабатывать больший объем пищи низкого качества, чтобы получить то же количество энергии, что и из высококачественного рациона. Многие виды реагируют на рационы низкого качества, увеличивая потребление пищи, размеры пищеварительных органов и емкость пищеварительного тракта (например, у прерийных луговых полевок и крякв). Рационы низкого качества также приводят к снижению концентрации питательных веществ в просвете кишечника, что может вызвать снижение активности ряда пищеварительных ферментов. AMY2B (Альфа-Амилаза 2B) – это ген, кодирующий белок, участвующий в первом этапе переваривания диетического крахмала и гликогена. Увеличение числа копий этого гена у собак позволило ранним собакам усваивать богатую крахмалом диету, питаясь отходами сельского хозяйства. Данные показали, что у волков и динго было всего по две копии гена, у сибирской хаски, связанной с образом жизни охотников-собирателей, – всего три или четыре копии, в то время как у салуки, происходящей из Плодородного полумесяца, где зародилось сельское хозяйство, – 29 копий. Результаты показывают, что в среднем современные собаки имеют большое количество копий этого гена, в то время как у волков и динго его число невелико. Высокое число копий вариантов AMY2B, вероятно, уже существовало как изначальная вариация у ранних домашних собак, но увеличилось в последнее время с развитием крупных сельскохозяйственных цивилизаций.

Паразитизм

Инфекция паразитами может индуцировать фенотипическую пластичность как способ компенсации вредного воздействия паразитизма. Как правило, беспозвоночные реагируют на паразитарную кастрацию или повышение вирулентности паразитов компенсацией плодовитости, чтобы увеличить свою репродуктивную продуктивность или приспособленность. Например, дафнии (Daphnia magna), подвергающиеся воздействию микроспоридий, производят больше потомства на ранних стадиях заражения, чтобы компенсировать будущую потерю репродуктивного успеха. Снижение плодовитости также может происходить как способ перенаправления питательных веществ на иммунный ответ или для увеличения продолжительности жизни хозяина. Показано, что в некоторых случаях эта специфическая форма пластичности опосредована молекулами, продуцируемыми самим хозяином (например, шистозомином у улиток рода Lymnaea stagnalis, инфицированных трематодами Trichobilharzia ocellata), которые вмешиваются в действие репродуктивных гормонов на органы-мишени. Изменения в репродуктивных усилиях во время инфекции также рассматриваются как менее затратная альтернатива развитию устойчивости или защите от вторжения паразитов, хотя это может происходить одновременно с защитной реакцией. Хозяева также могут реагировать на паразитизм посредством пластичности в физиологии, помимо размножения. Домашние мыши, инфицированные кишечными нематодами, испытывают снижение скорости транспорта глюкозы в кишечнике. Чтобы компенсировать это, мыши увеличивают общую массу клеток слизистой оболочки кишечника, которые отвечают за транспорт глюкозы. Это позволяет инфицированным мышам поддерживать ту же способность к поглощению глюкозы и размер тела, что и неинфицированным мышам. Фенотипическая пластичность также может проявляться в изменениях поведения. В ответ на инфекцию как позвоночные, так и беспозвоночные практикуют самолечение, которое можно рассматривать как форму адаптивной пластичности. Различные виды нечеловеческих приматов, зараженные кишечными червями, глотают листья, заглатывая грубые, целые листья, которые физически удаляют паразитов из кишечника. Кроме того, листья раздражают слизистую оболочку желудка, что стимулирует секрецию желудочной кислоты и увеличивает перистальтику кишечника, эффективно вымывая паразитов из организма. Термин "самоиндуцированная адаптивная пластичность" используется для описания ситуаций, когда поведение, находящееся под действием отбора, вызывает изменения во вторичных признаках, которые, в свою очередь, повышают способность организма выполнять это поведение. Например, птицы, совершающие высотную миграцию, могут совершать "тренировочные полеты" продолжительностью несколько часов, что индуцирует физиологические изменения, улучшающие их способность функционировать на большой высоте.

Эволюция

Пластичность обычно рассматривается как эволюционная адаптация к изменениям в окружающей среде, которая является достаточно предсказуемой и проявляется в течение жизни отдельного организма, поскольку она позволяет организмам "подстраивать" свой фенотип к различным условиям среды. Если оптимальный фенотип в данной среде меняется в зависимости от условий окружающей среды, то способность организмов проявлять различные признаки должна быть выгодной и, следовательно, подвергаться отбору. Таким образом, фенотипическая пластичность может эволюционировать, если дарвиновская приспособленность повышается за счет изменения фенотипа. Аналогичная логика применима и к искусственной эволюции, направленной на введение фенотипической пластичности в искусственные агенты. Однако преимущества пластичности могут быть ограничены энергетическими затратами на пластические реакции (например, синтез новых белков, корректировка соотношения экспрессии изоферментных вариантов, поддержание сенсорных механизмов для обнаружения изменений), а также предсказуемостью и надежностью сигналов окружающей среды (см. гипотезу о полезной акклиматизации). Пресноводные улитки (Physa virgata) служат примером того, когда фенотипическая пластичность может быть как адаптивной, так и неадаптивной. В присутствии хищника, солнечной рыбки (bluegill sunfish), эти улитки приобретают более округлую форму раковины и замедляют рост. Это делает их более устойчивыми к раздавливанию и лучше защищенными от хищничества. Однако эти улитки не могут различить химические сигналы, исходящие от хищной и нехищной солнечной рыбки. Таким образом, улитки неадекватно реагируют на нехищную солнечную рыбку, изменяя форму раковины и замедляя рост. В отсутствие хищника эти изменения делают улиток уязвимыми для других хищников и снижают их плодовитость. Следовательно, эти пресноводные улитки демонстрируют либо адаптивную, либо неадаптивную реакцию на сигналы окружающей среды в зависимости от присутствия или отсутствия хищной солнечной рыбки. Учитывая важную экологическую роль температуры и ее предсказуемую изменчивость в пространстве и времени, адаптация к температурным колебаниям была предложена как ключевой механизм, определяющий способность организмов к фенотипической пластичности. Считается, что величина температурных колебаний прямо пропорциональна пластическому потенциалу: виды, эволюционировавшие в теплом и стабильном климате тропиков, обладают меньшим пластическим потенциалом по сравнению с видами, обитающими в изменчивых умеренных широтах. Эта идея, известная как "гипотеза климатической изменчивости", была подтверждена рядом исследований пластического потенциала в зависимости от широты как у растений, так и у животных. Однако недавние исследования видов дрозофилы не выявили четкой закономерности пластичности вдоль широтных градиентов, что позволяет предположить, что эта гипотеза может быть не универсальной для всех таксонов или признаков. Некоторые исследователи предлагают, что прямые измерения изменчивости окружающей среды, такие как количество осадков, являются лучшими предикторами фенотипической пластичности, чем широта как таковая. Эксперименты по селекции и экспериментальная эволюция показали, что пластичность – это признак, который может эволюционировать как под действием прямого отбора, так и в качестве сопутствующего ответа на отбор по средним значениям определенных признаков.

Пластичность и изменение климата

В результате деятельности человека в течение следующих 100 лет прогнозируются беспрецедентные темпы изменения климата. Фенотипическая пластичность – ключевой механизм, позволяющий организмам справляться с меняющимся климатом, поскольку она обеспечивает возможность реагировать на изменения в течение жизни отдельной особи. Считается, что это особенно важно для видов с длительным периодом генерации, так как эволюционные реакции посредством естественного отбора могут оказаться недостаточно быстрыми для смягчения последствий потепления климата. Североамериканская красная белка (Tamiasciurus hudsonicus) за последнее десятилетие испытала повышение средней температуры почти на 2 °C. Это повышение температуры привело к увеличению обилия шишек белой ели, основного источника пищи для зимнего и весеннего размножения. В ответ на это средняя дата родов у этого вида сместилась на 18 дней раньше. Обильность пищи оказывала значительное влияние на дату размножения у отдельных самок, что указывает на высокую степень фенотипической пластичности по этому признаку.